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RTCA技术简介

2021.9.25

实时无标记动态细胞分析技术(RTCA Real Time CelI AnaIysis)是艾森生物(ACEA Biosciences)全球独有的ZL核心技术。该技术采用特殊工艺,将微电极列阵整合在细胞培养板的每个细胞生长孔底部，用以构建实时、动态、定量跟踪细胞形态和增殖分化改变的细胞阻抗检测传感系统。当贴壁生长在微电极表面的细胞引起贴壁电极界面阻抗的改变时，这种改变与细胞的实时功能状态改变呈相关性，通过实时动态的电极阻抗检测可以获得细胞生理功能相关的生物信息、包括细胞生长、伸展、形态变化、死亡和贴壁等。

基本原理：

图1. RTCA技术原理

系统的核心是把微电子细胞传感器芯片整合到表面适于细胞贴附与生长的细胞检测板的底部或细胞浸润迁移板的微孔膜。

微电极阻抗主要由点及周边的离子环境决定，当电场加在上面的时候可以测量到一个基线阻抗。细胞的有无以及贴壁程度的改变都会影响电极传感器表面电子和离子的通过。没有细胞时，检测孔底部排列的微电极阵列的阻抗分布近似均匀；加入细胞后，细胞会和电极表面接触粘附，影响电极和溶液间的离子环境，导致阻抗的升高，细胞越多阻抗增加越多。

此外，细胞与电极的相互作用也会影响电阻。细胞在上述表面上的贴壁或生长可引起各个电极阵列的电极结构的阻抗变化。细胞的贴壁程度紧密与否也会使电阻抗发生变化。

因此，粘附在电极表面的的细胞越多，细胞指数越大。同样的，细胞与电极表面粘附越紧密伸展，电阻抗增加越大。测量电极间阻抗可提供关于电极上细胞生物状态的重要信息。当细胞生物状态发生变化时，系统可以实时并自动获取其模拟电信号，并可以转换成数字信号以进行进一步的分析。

因此，电阻抗即反映为细胞指数的值，在多种实验中用于指示细胞生长、伸展、形态变化、死亡和贴壁程度等一系列生理状态。

细胞指数：

基于测得阻抗，细胞数目（更确切的说，活细胞数目，或贴附细胞数目）和细胞贴附状态之间的互相依赖关系，可由测得的阻抗频谱推得一种称作无量纲的参数术语细胞指数(CI))的参数，以提供一种有用的指数定量和比较基于阻抗测量方法中细胞的状态。

它有以下几个特点：

• 基于测量到的电极阻抗值可自动获取并提供相应的细胞指数。

• 所得到的选定孔的细胞指数反映了：

1、当不存在细胞或者细胞没有很好贴壁在电极上，细胞指数为零。

2、在相同的生理条件下，贴附在此孔电极表面的细胞越多细胞指数越大。因此，细胞指数可以用来定量检测孔里存在的细胞数量。

3、此外，细胞状态的变化，比如细胞形态，细胞贴附或者细胞生长都会导致细胞指数的变化。

技术优势：

新颖的电子传感芯片设计，独特的数据获取和分析方法，以及最优的仪器设计配合使艾森能够给细胞基础分析提供一整套的分析平台。这种平台产品能成为细胞和分子生物实验室的标准项目，也组成了新的生命科学实验室器具的工业标准。

艾森平台技术对传统的生物试验检测途径的主要优点包括：

• 高信息量：可连续检测生物反应的全过程，提供大量重要的动态反应信息。

• 无标记：分析无需昂贵的标记或报告。

• 无创伤：电子检测不会干扰细胞生长和分析。

• 高准确度和精确度：定量衡量细胞生长，提供高于2个数量级的动态范围，孔对孔CV通常低于10％。

• 自动实时检测：整个实验过程自动收集数据，实时分析，大大改善仅仅在最终点分析的结果。

• 灵活性：独特的设计允许自定义分析项目，提高实验室的效率。

• 易操作：用户友好的软件，简单直接的安装，简化培训和操作。

• 系统整合：微孔感应设备可与已有的滴定板设备配套使用。

• 活细胞品质控制：在培养孔中检测细胞质量。

应用平台：

实时细胞检测平台

利用实时细胞检测平台我们完成了6种药物筛选模型，分别是细胞增殖/毒性筛选模型、EGFR/RTK抑制剂筛选模型、G蛋白偶联受体（GPCR）相关药物筛选模型、细胞粘附相关药物筛选模型、变态反应性疾病相关药物筛选模型、NK细胞介导的细胞毒筛选模型。该技术不仅可以实时监测细胞的生长状况，还可以预测药物作用的某些可能机制（如图2所示），关于特征性生长曲线和药物作用靶点的联系的相关文章已经发表在Cell系列的子刊“Chemistry & biology”上，应用这一技术可以实现一次筛选可找到针对不同靶点的候选化合物，大大缩减了筛选所需时间，起到“一石数鸟”的作用。本中心利用这一核心技术对12万化合物进行的筛选及后续确证实验后得到的50个候选化合物，其中一个国家1.1类小分子化合物药物已经马上要进入II期临床，两个候选化合物正在进行结构修饰和临床前的研究工作，另外还有4个致DNA损伤、2个肝细胞生长因子抑制剂（HGFi）及2个抗有丝分裂的损伤候选化合物已经基本完成细胞水平的实验，准备进入动物实验评价疗效的阶段。

图2. 不同作用机制的抗肿瘤药物在A549细胞上的特征性曲线

如图2所示为一连续观察了68小时的细胞生长状态的曲线，对照组的A549细胞CI值随着时间的增长而不断升高，而加了药物的细胞CI值与对照相比均有下降，但是下降的幅度及形态各不相同，提示药物导致细胞毒性作用的机制不同。

Compound A：抗有丝分裂药物；Compound B：致DNA损伤药物；Compound C：细胞周期阻滞药物；Compound D：影响细胞骨架蛋白的药物。

实时心脏功能检测平台

利用实时心脏功能检测平台，我们可以高通量的实时无标记监测心脏细胞活性和QT延长。该系统将同时监测心肌细胞的搏动频率、动作电位变化、QT间期监测等，全面检测化合物或药物对心肌细胞的影响，准确预测药物的心脏毒性作用，为高通量心脏毒性评价成为可能，创新性的解决了国际技术难题。我们已经研究建立人多能干细胞诱导的心肌细胞筛选模型和小鼠原代心肌细胞筛选模型，根据不同作用机制的心脏毒性药物建立了特征曲线数据库，并已经开展了一系列新的化合物毒性筛选和心脏毒性评价，将为提高药物研发的成功率，节约药物研发的成本提供良好的支持。

图3. 采用RTCA心脏检测系统实时动态监测和记录诱导分化心肌干细胞活性和收缩特性

如图3所示，多能干细胞接种以后可以看到随着时间的推移，CI值不断增高，到60小时后进入平台期，说明诱导分化的心脏细胞接近成熟期，从功能检测上可以看到心肌细胞收缩和跳动频率的变化。

实时细胞迁移和侵袭技术平台

实时细胞迁移和侵袭技术平台是巧妙的结合了我们的核心技术和Boyden小室的技术，精心的设计将细胞芯片放置在上室的背面以达到连续监测细胞迁移和侵袭过程的目地。该方法避免了标记对于细胞迁移的影响，并且不需要再通过计数或荧光方法来获得细胞迁移率的变化，极大的简化了实验过程，使利用这一技术我们可以筛选影响细胞迁移及侵袭的特性的化合物成为可能。如图4所示，是抗肿瘤药物Doxycycline影响细胞迁移的曲线。